黄少铭教授课题组AFM：金属-有机框架材料的分子尺度表界面调控实现高性能固态锂金属电池

邃瞳科学云

2020-09-28

文章信息

金属-有机框架材料的分子尺度表界面调控实现高性能固态锂金属电池

First published: September 20, 2020

第一作者：Li Dixiong

通讯作者：张琪 *，黄少铭*

单位：广东工业大学

研究背景

锂金属电池因其具有高能量密度引起了全球科研工作者的极大研究兴趣。然而，由于锂枝晶的生长，液态锂金属电池存在巨大的安全隐患。固态电解质（SEs, 主要包括聚合物和无机SEs）被认为是解决锂金属电池安全问题最有潜力的解决方案。

其中，柔性聚合物SEs往往具有良好的界面相容性，但它们的Li+ 电导率相对较低，并且通常无法抑制锂枝晶的生长；而无机SEs虽然具有较高的离子电导率，但其界面相容性差。因此，开发兼具高Li+ 电导率，低界面阻抗和抑制锂枝晶生长能力的固态电解质，仍然是一个巨大的挑战。

文章简介

近日，广东工业大学黄少铭教授课题组张琪博士在国际顶级期刊Advanced Functional Materials (影响因子：16.8) 上发表题为“Molecular‐Scale Interface Engineering of Metal–Organic Frameworks toward Ion Transport Enables High‐Performance Solid Lithium Metal Battery”的研究工作。

该工作提出通过在金属-有机框架材料（MOFs）的金属团簇上设计、配位不同的路易斯碱分子来调控锂离子在晶体内部和晶体表界面的传输，并通过将化学修饰后的MOFs用作SEs来分析分子水平的精细调控对离子传输的影响。

其中，用长链路易斯碱（LCLB）化学修饰的MOF具有最高的离子电导率及最小的界面阻抗。相比于以未化学修饰的MOF组装的锂金属固态电池，用长链路易斯碱（LCLB）化学修饰的MOF可以实现单离子传导，并将5C倍率下的固态电池比容量提高47%，同时可以显著提高电池的循环寿命。

导师专访

Q：该领域目前存在的问题？这篇文章的重点、亮点。

目前大家的研究重点侧重于开发一些具有导离子特性的MOF材料，与此同时我们也应该关注离子在MOF基固态电解质中的多尺度传输：即分子尺度（MOF孔道内），纳米尺度（MOF颗粒之间）及亚微米尺度（MOF与电极界面之间）的离子传输。

多尺度的离子传输过程决定了离子的整体传输效率、界面阻抗的大小甚至影响锂离子在锂金属的沉积方式。因此，从不同尺度去设计、研究、优化离子的传输是MOF基固态电解质材料的研究重点。

这项工作尝试了用长链的路易斯碱优化离子在多个尺度的传输过程，从而使得固态电池的性能得到大幅提高。

我们的另一项工作通过MOF晶体颗粒原位化学交联的方式优化MOF颗粒间及与电极间的离子传输，也获得了非常不错的固态金属电池性能（ACS Energy Letters 2020, 5, 2919-2926.）。

本文要点

要点一：本文通过将各种构型的具有离子导电特性的有机路易斯碱修饰到MIL-101（Cr）的框架上，揭示了分子尺度的界面工程对MOFs和组装的固态电池离子迁移性能的影响。

要点二：对不同修饰策略的MOFs材料进行了详细的分析，建立了化学修饰分子与性能之间的联系和规律，并总结其进行界面化学调控的优点。

要点三：这项工作为理解MOFs晶体表界面间的离子迁移提供了新的思路，并证实了通过表界面化学调控优化MOF基固态电解质材料导离子性能的可行性。

导师专访

Q：您对该领域的今后研究的指导意见和展望

目前已经开发的本身具有导离子特性的MOF材料或者COF材料，导离子主要依靠多孔材料孔道内的功能基团及孔内少量的有机溶剂分子。功能基团与有机溶剂（如PC）共同形成导离子的网络来实现离子的传导。

目前MOF可以实现较高的离子传导性能，具有更稳定地电化学窗口（有望实现高电压固态电池），更好的空气环境下稳定性，复合后具有较小的界面阻抗，并可以较好地抑制锂枝晶的生长。

尽管MOF基固态电解质一定程度上解决了无机、有机固态电解质的缺陷并整合了部分优点，但导离子过程仍然需要少量电解液的存在，距离实现全固态电池还有较远地距离。

接下来如何开发新型MOFs离子导体，使其在含有极少电解液甚至不含电解液的情况下即可实现高效的离子传导是需要重点研究的课题。因为不断减少电解液的含量可以进一步提高固态电池的能量密度，提高电池的安全性。目前我们实验室已经开发了在全固态条件下相比于传统MOFs导离子性能提高2-3个数量级的MOFs材料，期望在提升MOF基全固态电池的性能方面有所突破。同时，探索离子在MOFs孔内的传输的机理也是我们今后的研究重点。

文章链接

Molecular‐Scale Interface Engineering of Metal–Organic Frameworks toward Ion Transport Enables High‐Performance Solid Lithium Metal Battery

https://doi.org/10.1002/adfm.202003945

通讯作者介绍

张琪博士，

广东工业大学材料与能源学院任教，长期致力于先进多孔材料，特别是金属-有机框架材料的设计、合成及其在能源、环境领域的应用。

黄少铭

广东工业大学材料与能源学院

主要研究领域

低维材料包括纳米结构碳材料、金属-有机框架材料和无机低维功能材料等的基础研究和器件应用。

个人主页

http://clnyxy.gdut.edu.cn/info/1111/4389.htm